一种农田智能化灌溉管理系统的制作方法

本实用新型涉及一种农田智能化灌溉管理系统，属农田灌溉技术领域。

背景技术：

渠道输水是我国农田灌溉的主要输水方式，渠道灌溉作为应用最广泛的输水方式发挥着重要的作用，现阶段，我国部分地区水资源开发利用已经超越了水资源及水环境的承载能力，水污染加剧及生态环境恶化等一系列问题，成为水资源可持续利用和经济社会可持续发展的重要制约因素，因此，加快建设节水防污型社会是其必然选择，通过采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业具有重要的现实意义。

在我国南方，水稻一直以来是人们最主要的粮食作物之一，其栽培技术已有五六千年的历史，近些年以来，水稻种植的机械化程度有了很大的发展。但在水稻秧苗各生长期水位控制，控水、管水的环节上始终还是靠人工方式完成，由于人工操作的粗放性，很难有效的精确控制水位的高度，既影响了苗期生长，又浪费了水资源，同时增加了劳动成本，一定程度上制约了农业的可持续发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：提供一种结构简单、易于推广，可有效降低劳动成本，精确控制水位的高度，并能节约水源和农田土地面积，有利于苗期生长，进而提高粮食产量的农田智能化灌溉管理系统。

本实用新型的技术方案是：

一种农田智能化灌溉管理系统，包括农田、灌溉泵站、输水主管、灌溉支管、灌溉出水管、灌溉控制装置和农田土壤监控器，其特征在于：农田土壤下方并列间隔状埋设有多个灌溉支管，灌溉支管一端设置有输水主管，输水主管分别与灌溉泵站和多个灌溉支管连通；各灌溉支管与输水主管的连接处分别设置有控制阀；灌溉支管另一端的农田一侧设置有排水渠，农田通过多个排水管与排水渠连通；各灌溉支管上分别间隔状设置有灌溉出水管，农田土壤内设置有多个农田土壤监控器，农田土壤监控器、灌溉泵站和控制阀分别与灌溉控制装置连接。

所述的灌溉泵站与灌溉支管之间的输水主管上依次设置有进排气阀、安全阀、调压阀、止回阀和泄水阀。

所述的灌溉支管间的间距为100米，灌溉支管的长度大于1000米。

所述的排水管上设置有排水闸。

所述的排水闸包括闸板和闸板框，闸板活动安装在闸板框上，闸板框为一矩形体，闸板框上设置有过水孔，过水孔一侧的闸板框上设置有衔接管，过水孔另一侧的闸板框上通过销钉活动安装有闸板，闸板一侧的过水孔沿口上设置有闸板限位台，闸板与闸板限位台接触连接。

所述的闸板限位台呈圆弧形。

所述的闸板和闸板框分别由树脂材料制成。

所述的闸板上设置有操作柄。

所述的灌溉泵站包括与水源连通的进水池，进水池与排水渠连通；进水池通过潜水泵与输水主管连通。

所述的排水渠为截面呈U型的排水渠或截面呈梯形的排水渠；U型排水渠或梯形排水渠采用混凝土现浇方式一次性浇筑成型。

所述的U型排水渠由相互承插连接的渠槽预制件单元构成，渠槽预制件单元的断面为U形，渠槽预制件单元的U形开口两侧对称设置有渠肩，渠槽预制件单元的一端设置有连接口，连接口的内表面设置有凸起的连接台，渠槽预制件单元另一端端口一侧的外表面设置有与连接台对应的凹槽。

所述的梯形排水渠由相互拼接的渠槽预制板单元构成，梯形排水渠的断面为梯形，梯形排水渠的渠口两侧对称设置有水渠渠肩，相互拼接的渠槽预制板单元之间浇筑有沥青砂浆，渠槽预制板单元为正方体，其厚度为4—8cm，渠槽预制板单元的一侧和底部边缘设置有下拼接槽A和下拼接槽B，渠槽预制板单元的另一侧和顶部边缘设置有上拼接槽C和上拼接槽D，下拼接槽A和下拼接槽B的转角连接处设置有凹缺，各拼接槽的厚度分别为渠槽预制板单元厚度的二分之一。

所述的灌溉出水管的内壁设置有密封凸缘，密封凸缘上通过销轴活动安装有密封盖；所述的灌溉出水管的水平段与农田土壤的间距为12cm。灌溉出水管的一侧设置有消力池；消力池面积为50×50cm，消力池的顶部与农田土壤表面平齐。

所述的农田土壤监控器包括水位检测器和气象墒情采集传感器。

所述的灌溉控制装置由CPU模块、电源模块、信息采集模块、输出输入模块，继电器模块、蓝牙模块构成，CPU模块分别与电源模块和蓝牙模块连接，信息采集模块和继电器模块分别通过输出输入模块与CPU模块连接，信息采集模块用于采集接收农田土壤监控器的数据并通过输出输入模块上传至CPU模块，经CPU模块处理后的数据通过无线网络传至用户手机，或将指令信号通过输出输入模块传至继电器模块，以控制潜水泵和控制阀的启闭。

为实现节约用水和精确用水的目的本实用新型各环节都进行了严格的计算和试验，具体如下：

基本情况

试验区位于沙洋监狱管理局小江湖监狱，田面积1200亩，该片灌溉水系为汉江水系，是由汉江水进入项目排水河后用泵站提水进入灌溉主管，然后通过主管分水入支管，在根据需要按一定距离安装站管进入田间。

试验方案：

兴建小型加压泵站1座，选用水泵型号为250WQ550—25，总装机55kw一台套。变频器为60KW，水直接进入主出水管、支管、出水站管，当出水管开启较多，管内压力减少，水泵变频器自动开启增压，达到设计所需要的压力。

试验灌溉方案：

主管1200米，直径355mm，支管12条，每条1000米，总长12000m,直径200mm；站管108个，每个长1.7米，总长76.5m，直径110mm；

工程水源为汉江水，水质符合《农田灌溉水质标准》，可以作为该试验的灌溉水源。

试验区主要作物为水稻。多年来建成了以水泵为主要提水设备、渠道输水的灌溉工程体系，本次试验意在发展节水灌溉和智能化农田灌溉，提高灌溉水利用系数、提高土地资源使用率、提高灌溉效率、降低用水成本。

管道输水灌溉是以管道代替明渠输水灌溉的一种工程形式，直接由管道给水口分水进入田间。

试验布置

本试验设计衡压输水系统。为水泵直送式。通过管道输水至田间。

本试验工程管网布置呈一字排列式，水流通过“主管”流向“支管”，即只有分流，无汇流。

本试验区低压管道输水灌溉系统为固定式。管道灌溉系统中的水源和各级管道及分水设施均埋入地下，给水口直接分水进入田间。

本试验管材选取PE100级管材，压力等级为0.6MPa。

管道灌溉试验主要有：主管1条，总长1200m；支管12条，总长12000m；设计水管统一埋深70cm。设计小型加压灌溉泵站1座，每座泵站配备相应变频调速设备，每座泵站前设拦污栅，防止污染物进入管道。

依据：

《湖北省基本农田土地整理项目工程设计标准》

《农田水利学》

《水工设计手册》

《农田灌溉水质标准》

《农田低压管道输水灌溉工程技术》

《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T 20203-2006）设计试验参数；

1．设计灌水定额 m

灌水定额是指单位面积一次灌水的灌水量或水层深度。管网设计中，采用作物生育期内各次灌水量中最大的一次作为设计灌水定额。

灌区内主要作物为水稻，设计计算取水稻相关数据。

设计典型年（2010年）水稻的泡田期的最大一次灌水定额为80 m³/亩。

2、灌水周期T

水稻灌水周期：依据《水工设计手册》和荆州丫角试验站资料，泡田期允许续灌延续天数为5d-10d；本设计取值7d。

3、每天灌水时间 t

依据《农田低压管道输水灌溉工程技术》，管道灌溉每天灌溉小时数12-16h，本设计取值16h；

4、灌溉水利用系数

依据《农田低压管道输水灌溉工程技术》，

=0.95～0.98；本设计取95%。

试验灌溉设计流量：

根据设计灌水定额、灌溉面积、灌水周期和每天的工作时间计算灌溉设计流量。

本管灌系统内种植单一作物──水稻，灌溉设计流量计算公式如下：

Q=mA/(3600tTη)

式中：

Q —— 管灌设计流量，m³/s；

m —— 作物灌水定额，m³/亩，取水稻泡田期最大灌水定额80 m³／亩；

A —— 作物面积，1000亩；

—— 灌溉水利用系数，取95%；

T —— 允许灌水的延续天数，d,取值7d;

t —— 每天灌水时间，h,取16h;

详细计算见典型田块设计计算。

试验管径：

管道系统各管段的直径，通过技术经济计算确定，流速按管道流速表选择管内流速，按下式计算。

式中：

——管道直径，mm

——管内流速，1.5m/s；

Q——计算管段的设计流量，m³/s。

管道流速表

本试验设计流速：采用硬塑料管，主管内设计流速1.5m/s；支管内设计流速1.3 m/s。

水头损失计算：

(1)沿程水头损失hf。在管道输水灌溉管网设计计算中，根据不同材料管材使用流态，通常采用下式计算有压管道的沿程水头损失：

式中：

f ——沿程水头损失摩阻系数；

m ——流量指数；

b ——管径指数。

各种管材的值见下表。

不同管材的值

本试验设计管道为PE管，设计取值如下：

f =0.000915(聚乙烯管材的摩阻系数),

m 取1.77,

b管径指数,取4.77

(2)局部水头损失hj。局部水头损失一般以流速水头乘以局部水头损失系数来表示。管道的总局部水头损失等于管道上各局部水头损失之和。在实际工程设计中，为简化计算，总局部水头损失通常按沿程水头损失的10％～15％考虑。

本试验设计局部水头损失取沿程损失的10%。

即：hj=hf×10%

(3)水头损失h计算：

综合（1）、（2），可简化水头损失公式为：

= 0.000915(Q ^1.77 /d ^4.77 ）L

式中：

L—— 管道长度， m；

d —— 输水管管径，m；

Q —— 管道设计流量m³/s；

水泵扬程计算

水泵扬程计算。灌溉系统设计扬程按下式计算：

H_P=H₀ +ΔH+ΔZ+∑h

式中：

H_P——管道系统设计扬程，m；

H₀—— 给水出口工作水头，m，设计取值2m

ΔH —— 田块地面与取水渠道常水位的高差，2m，

ΔZ —— 出水口中心线与田块地面的高差，0.8m，设计取值0.5m;

∑h—— 管道水头损失，m；

根据以上计算的水泵扬程和系统设计流量选取水泵，然后根据水泵的流量-扬程曲线和管道系统的流量水头损失曲线校核水泵工作点。

田块设计计算

以控制的田块进行计算。

一、灌溉设计流量

Q=mA/(3600tTη)

式中：

Q —— 管灌设计流量，m³/s；

m —— 作物灌水定额，m³/亩，取80 m³／亩；、

A —— 作物面积，1200亩；

—— 灌溉水利用系数，取95%；

T —— 允许灌水的延续天数，d,取值7d;

t —— 每天灌水时间，h,取16h;

设计主管实际测量为1200米，分别管理12条支渠，每条支渠长度为1000米：

主管1200米的流量为 (m³/s)，按每次一次开启5条共45个出水口，所以每条支管设计流量为108(m³/s)；

Q_{G1 540}(m³/s)

二、设计管径

按公式：

本试验设计流速：主管内设计流速1.3 m/s；支管内设计流速1.2 m/s。

各管径计算如下：

设计主管直径为PE355；设计支管型号为 PE200，出水管型号为PE110。

三、水头损失计算

= 0.000915(Q ^1.77 /d ^4.77 ）L

主管长度1200m，支管每条长为1000m，则各管段沿程损失为：

主管 = 0.000915×(0.0161^1.77 /0.1446^4.77 ）×1200=0.806(m)

支管= 0.000915×(0.0207 ^1.77 /0.1446^4.77 ）×1000=0.774(m)

则各管道水头损失为：

则=主0.806 h +支0.774=1.581m(包含止回阀水头损失)

四、水泵扬程计算与水泵选择

水泵扬程计算。灌溉系统设计扬程按下计算：

H_P= H₀ +ΔH+ΔZ+∑h = 0.5 +ΔH+0.3+∑h

式中：

H_P——管道系统设计扬程，m；

H₀—— 给水栓工作水头，m，设计取值2m

ΔH —— 田块地面与取水渠道常水位的高差，m，

ΔZ —— 出水口中心线与田块地面的高差，m，设计取值0.5m;

∑h—— 管道水头损失之和，m；

简化公式如下：

H_P= 2 +ΔH+0.5+∑h = 2.5 + ΔH + ∑h

依据设计图纸，输水从斗管新G1到农管新G1-5再到农管新G1-5-4水头损失之和最大，累积水头损失为：

水头损失h=3.623+0.724+1.964=6.312m

所处田块地面与取水渠道常水位的高差ΔH现场测量为6m;

则：H_P= 2.5+5.3+6.312 =14.112（m）

水泵设计流量为550m³/s。

五、水泵机组选型

选用250QW550-25型水泵，配用电机功率55kW。4.1.5 管网设计

本工程设计排列网。水流通过“主管”流向“支管”，即从主管流向支管管，只有分流，无汇流。

本试验区低压管道输水灌溉系统为固定式。管道灌溉系统中的水源和各级管道及分水设施均埋入地下，分水口直接分水进入田间。

本实用新型与现有技术相比的有益效果在于：

该农田智能化灌溉管理系统运行时，首先将水位检测和气象墒情指标输入至灌溉控制装置中，当农田土壤的含水率达到灌溉指标时，农田土壤监控器向灌溉控制装置发出信号，灌溉控制装置启动潜水泵和控制阀对农田进行灌溉，当雨季或灌溉水位超过灌溉指标时，农田土壤监控器向灌溉控制装置发出信号，灌溉控制装置经无线网络通知管理人员，由人工开启排水闸，以降低或排干农田水，排出的农田水经排水管进入排水渠，再回流或泵入灌溉泵站，以收集循环使用，避免水资源的浪费。该灌溉管理系统实现了水位精细化管理，为作物创造了最佳生长环境，可促进作物的生长，提高作物的产量；加强了水资源的科学管理，进而实现了水资源真正的充分、合理的利用、达到了节约用水的目的，同时降低的劳动成本。另一方面，该农田自动化智能灌溉管理系统采用管道输水灌溉方式，其管道深埋在田面或在生产路下，不占用耕地面积，可节省现有灌渠堤所需的堤坝占用面积3—5%，较大程度上提高了原有土地的利用率，具有积极的社会意义。

附图说明

图1为本实用新型的俯视结构示意图；

图2为本实用新型的U型排水渠的结构示意图；

图3为U型排水渠的渠槽预制件单元的结构示意图；

图4为本实用新型的梯形排水渠的结构示意图；

图5为梯形排水渠的渠槽预制板单元结构示意图；

图6为本实用新型的排水管的安装示意图；

图7为本实用新型的排水闸的主视结构示意图；

图8为本实用新型的排水闸的后视结构示意图；

图9为本实用新型的灌溉出水管的结构示意图；

图10为本实用新型的灌溉控制装置的原理框图。

图中：1、农田，2、灌溉泵站，3、输水主管，4、灌溉支管，5、灌溉出水管，6、灌溉控制装置，7、农田土壤监控器，8、控制阀，9、进排气阀，10、安全阀，11、调压阀，12、止回阀，13、泄水阀，14、排水渠，15、渠槽预制件单元，16、渠肩，17、连接台，18、凹槽，19、渠槽预制板单元，20、水渠渠肩，21、下拼接槽A，22、下拼接槽B，23、上拼接槽C，24、上拼接槽D，25、凹缺，26、排水管，27、排水闸，28、闸板，29、闸板框，30、过水孔，31、销钉，32、闸板限位台，33、操作柄，34、衔接管，35、密封凸缘，36、密封盖，37、消力池。

具体实施方式

该农田智能化灌溉管理系统包括农田1、灌溉泵站2、输水主管3、灌溉支管4、灌溉出水管5、灌溉控制装置6和农田土壤监控器7。农田土壤下方并列间隔状埋设有多个灌溉支管4，灌溉支管4间的间距为100米，灌溉支管4的长度大于1000米。灌溉支管4一端设置有输水主管3，输水主管3与灌溉泵站2和多个灌溉支管4连通。

灌溉泵站2与灌溉支管4之间的输水主管3上依次设置有进排气阀9、安全阀10、调压阀11、止回阀12和泄水阀13。进排气阀9、安全阀10、调压阀11、止回阀12和泄水阀13的主要作用分别是破坏管道真空，排除管内空气，减少输水阻力，超压保护，调节压力，防止管道内的水回流入水源而引起水泵高速反转。

进排气阀9按阀瓣结构分为球阀式、平板式进(排)气阀两大类。其工作原理是管道充水时，管内气体从进(排)气口排出，球(平板)阀靠水的浮力上升，在内水压力作用下封闭进(排)气口，使进(排)气阀密封而不渗漏，排气过程完毕。管道停止供水时，球(平板)阀因虹吸作用和自重而下落，离开球(平板)口，空气进入管道，破坏管道真空或使管道水的回流中断，避免管道真空破坏或因管内水的回流引起的水泵高速反转。

安全阀10是一种压力释放装置，安装在管路较低处，起超压保护作用。低压管道灌溉系统中常用的安全阀按其结构形式可分为弹簧式、杠杆重锤式。

安全阀10的工作原理是将弹簧力或重锤的重量加载于阀瓣上来控制、调节开启压力(即整定压力)。在管道系统压力小于整定压力时，安全阀密封可靠，无渗漏现象；当管道系统压力升高并超过整定压力时，阀门则立即自动开启排水，使压力下降；当管道系统压力降低到整定压力以下时，阀门及时关闭并密封如初。

安全阀10在选用时，应根据所保护管路的设计工作压力确定安全阀的公称压力。由计算出的定压值决定其调压范围，根据管道最大流量计算出安全阀的排水口直径，并在安装前校订好阀门的开启压力。弹簧式、杠杆重锤式安全阀均适用于低压管道灌溉系统。

安全阀一般铅垂安装在管道系统的首部，操作者容易观察到，并便于检查、维修，也可安装在管道系统中任何需要保护的位置。

各灌溉支管4与输水主管3的连接处分别设置有控制阀8，用以控制灌溉支管4的启闭。灌溉支管4另一端的农田1一侧设置有排水渠14。排水渠14为截面呈U型的排水渠或截面呈梯形的排水渠；U型排水渠或梯形排水渠采用混凝土现浇方式一次性浇筑成型。

作为改进；U型排水渠由相互承插连接的渠槽预制件单元15构成，渠槽预制件单元15的截面为U形，渠槽预制件单元15的U形开口两侧对称设置有渠肩16，渠槽预制件单元15的一端设置有连接口，连接口的内表面设置有凸起的连接台17，渠槽预制件单元15另一端端口一侧的外表面设置有与连接台对应的凹槽18。通过渠槽预制件单元15两端分别设置的凸起的连接台17和与连接台对应的凹槽18，使其在相互承插连接的过程中提高了连接的强度，且在各单元连接处使用沥青砂浆勾缝，在保证U型排水渠具有良好收缩性能的前提下，提高了防渗性能。通过渠槽预制件单元15的U形开口两侧对称设置的渠肩16，可改变U型排水渠的受力条件，增大了U型排水渠的整体强度，避免U型排水渠的横向裂纹，从而使其具有厚度均匀、抗老化性能好，施工过程方便、劳动效率高，工程质量好的特点。

作为进一步改进；梯形排水渠由相互拼接的渠槽预制板单元19构成，梯形排水渠的断面为梯形，梯形排水渠的渠口两侧对称设置有水渠渠肩20，相互拼接的渠槽预制板单元之间浇筑有沥青砂浆，渠槽预制板单元19为正方体，其厚度为4—8cm，渠槽预制板单元19的一侧和底部边缘设置有下拼接槽A21和下拼接槽B22，渠槽预制板单元19的另一侧和顶部边缘设置有上拼接槽C23和上拼接槽D24，下拼接槽A21和下拼接槽B22的转角连接处设置有凹缺25，各拼接槽的厚度分别为渠槽预制板单元19厚度的二分之一。梯形排水渠施工时，槽预制板单元19横向之间分别通过下拼接槽A21和上拼接槽D24相互咬合，渠槽预制板单元19纵向之间分别通过下拼接槽B22和上拼接槽C23相互扣压，从而可提高梯形排水渠的连接强度和平整度，防止淤积，渠槽预制板单元19之间的连接处浇筑沥青砂，可保证梯形排水渠具有良好的收缩性能并提高其防渗性能。

该农田自动化智能灌溉管理系统的农田1通过多个排水管26与排水渠14连通；临近农田1的排水管26端头设置有排水闸27。

排水闸27包括闸板28和闸板框29，闸板28活动安装在闸板框29上，闸板框29为一矩形体，闸板框29上设置有过水孔30，过水孔30一侧的闸板框29上设置有衔接管34，衔接管34的作用是方便该排水闸27安装过程中与排水管26的衔接。过水孔30另一侧的闸板框29上通过销钉31活动安装有闸板28，闸板28一侧的过水孔30沿口上设置有圆弧形的闸板限位台32，闸板28上设置有操作柄33；以方便闸板28的启闭操作。闸板28与闸板限位台32接触连接。闸板限位台32的作用是保证闸板28在闭合过程中能准确定位，从而将过水孔30封堵住，由此截断水流。排水闸27的闸板28和闸板框29分别由树脂材料一次冲压成型制作。具有结构简单、重量轻、耐腐蚀，生产制造成本低的特点，解决了现有闸门易被不法分子盗窃变卖，即会造成损失，也会影响水水利设施正常使用的问题。

该灌溉管理系统的各灌溉支管4上分别间隔状设置有灌溉出水管5，灌溉出水管5垂直于灌溉支管4设置，灌溉出水管5的内壁设置有密封凸缘35，密封凸缘35上通过销轴活动安装有密封盖36；灌溉出水管5的上端水平段与农田土壤的间距为12cm；以保证农田1内的灌溉水位保持在12cm以内，灌溉出水管5的一侧设置有消力池37；消力池37面积为50×50cm，消力池37的顶部与农田土壤表面平齐。灌溉出水管5设有密封凸缘35和密封盖36的目的，是防止非工作情况下灌溉水倒灌，正常状态下，灌溉水冲开密封盖36，经消力池37溢流进入农田1，一旦灌溉水超过设定指标，且灌溉停止，密封盖36回位，在倒灌水的压力作用下密封盖36通过密封凸缘35实现密封，由此防止倒灌水进入灌溉支管4。

农田1的土壤内设置有多个农田土壤监控器7，农田土壤监控器7包括水位检测器和气象墒情采集传感器。农田土壤监控器2、灌溉泵站2和控制阀8分别与灌溉控制装置6连接。

灌溉控制装置6由CPU模块、电源模块、信息采集模块、输出输入模块，继电器模块、蓝牙模块构成，CPU模块分别与电源模块和蓝牙模块连接，信息采集模块和继电器模块分别通过输出输入模块与CPU模块连接，信息采集模块用于采集接收农田土壤监控器的数据并通过输出输入模块上传至CPU模块，经CPU模块处理后的数据通过无线网络传至用户手机，或将指令信号通过输出输入模块传至继电器模块，以控制水泵和控制阀8的启闭。

该灌溉管理系统的灌溉泵站2包括与水源连通的进水池，进水池与排水渠14连通；进水池通过水泵与输水主管3连通。

该灌溉管理系统运行时，首先将水位检测和气象墒情指标输入至灌溉控制装置6中，当农田土壤的含水率达到灌溉指标时，农田土壤监控器7向灌溉控制装置6发出信号，灌溉控制装置6启动潜水泵和控制阀对农田进行灌溉，当雨季或灌溉水位超过灌溉指标时，农田土壤监控器7向灌溉控制装置6发出信号，灌溉控制装置6经无线网络通知管理人员，由人工开启排水闸27，以降低或排干农田水，排出的农田水经排水管26进入排水渠14，再回流或泵入灌溉泵站2，以收集循环使用，避免水资源的浪费。该农田自动化智能灌溉管理系统实现了水位精细化管理，为作物创造了最佳生长环境，可促进作物的生长，提高作物的产量；加强了水资源的科学管理，进而实现了水资源真正的充分、合理的利用、达到了节约用水的目的，同时降低了劳动成本。另一方面，该农田自动化智能灌溉管理系统采用管道输水灌溉方式，其管道深埋在田面或在生产路下，不占用耕地面积，可节省现有灌渠堤所需的堤坝占用面积3—5%，较大程度上提高了原有土地的利用率，具有积极的社会意义。